JP2006250623A - Photodetection device and photodetection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光検出装置及び光検出方法に関し、詳細には、走査型プローブ顕微鏡等に適用可能な光プローブを用いた光検出装置及び光検出方法に関する。 The present invention relates to a light detection device and a light detection method, and more particularly to a light detection device and a light detection method using an optical probe applicable to a scanning probe microscope or the like.
近年、STM(走査型トンネル顕微鏡)、AFM(走査型原子間力顕微鏡)をはじめとするSPM(走査型プローブ顕微鏡)技術を用いて、ナノオーダの計測・加工が行われている。このSPMの中にあって、回折限界以下の微小領域での光学的特性を検出することが可能な近接場光学顕微鏡は、バイオテクノロジー等の様々な分野での測定・評価装置として用いられている。また、上記近接場光学顕微鏡の技術を応用した、光記録装置や微細加工装置の研究開発も進められている。 In recent years, nano-order measurement and processing has been performed using SPM (scanning probe microscope) technology such as STM (scanning tunneling microscope) and AFM (scanning atomic force microscope). A near-field optical microscope that is capable of detecting optical characteristics in a minute region below the diffraction limit in this SPM is used as a measurement / evaluation apparatus in various fields such as biotechnology. . In addition, research and development of optical recording devices and microfabrication devices applying the above-mentioned near-field optical microscope technology is also in progress.
近接場光学顕微鏡では、回折限界以下の寸法の微細構造体をプローブとして用い、プローブ先端部を照明することでその近傍に近接場光を発生させる。この状態でプローブを試料面上で走査させることにより、プローブ近傍に局在している近接場光と試料面との電磁気的な相互作用により散乱、あるいは、試料面を透過した近接場光を検出して、試料面の光学的情報(光強度、スペクトル、偏光等)を得ることができる。 In the near-field optical microscope, a fine structure having a size equal to or smaller than the diffraction limit is used as a probe, and near-field light is generated in the vicinity thereof by illuminating the probe tip. By scanning the probe on the sample surface in this state, the near-field light scattered by the electromagnetic interaction between the near-field light localized near the probe and the sample surface, or near-field light transmitted through the sample surface is detected. Thus, optical information (light intensity, spectrum, polarization, etc.) of the sample surface can be obtained.
近接場光学顕微鏡では、一般に、コア周囲に、クラッドの設けられた光ファイバの一端に先鋭化されたコアを突出させた突出部を有し、当該突出部に、例えば、AuやAg等の金属により被覆された光プローブを備えて、光の波長を越えた分解能を有する光学像を得ることができるようになっている。 In the near-field optical microscope, generally, a core having a sharpened core projecting from one end of an optical fiber provided with a clad is provided around the core, and a metal such as Au or Ag is formed in the projecting part. An optical image having a resolution exceeding the wavelength of light can be obtained.
また、上記近接場光学顕微鏡により試料の微小領域における物性を測定する場合には、試料表面の光の波長より小さい領域に局在するエバネッセント光を検出して試料の形状を測定する。そして、全反射条件下で試料に光が照射されることにより生じたエバネッセント光を光プローブにより散乱させて散乱光に変換する。近接場光学顕微鏡は、この散乱光を、光プローブの形成されている突出部を通して光ファイバのコアに導き、光ファイバのもう一方の射出端に接続された検出器により検出する。 When measuring the physical properties of a sample in a micro area using the near-field optical microscope, the shape of the sample is measured by detecting evanescent light localized in an area smaller than the wavelength of light on the sample surface. Then, the evanescent light generated by irradiating the sample with light under the total reflection condition is scattered by the optical probe and converted into scattered light. The near-field optical microscope guides this scattered light to the core of the optical fiber through the protruding portion where the optical probe is formed, and detects it with a detector connected to the other exit end of the optical fiber.
すなわち、近接場光学顕微鏡は、光プローブにより散乱と検出の双方を行うことができる。 That is, the near-field optical microscope can perform both scattering and detection by the optical probe.
このように、近接場光学顕微鏡においては、高分解能で測定することはできるが、測定範囲が数十um程度と非常に狭いという問題がある。 As described above, the near-field optical microscope can measure with high resolution, but there is a problem that the measurement range is as narrow as about several tens of um.
また、近年、シリコンウエハ欠陥検査等の用途において、低分解能で測定した後に、近接場光を利用した高分解能の測定に切り換え、同一試料の測定・検査を継続して行えることが求められている。 Also, in recent years, in applications such as silicon wafer defect inspection, it is required to switch to high-resolution measurement using near-field light after measurement with low resolution, and to continue measurement and inspection of the same sample. .
そこで、従来、対物レンズによる観察系を含む通常の光学顕微鏡装置に、近接場光検出用光プローブを組み込んで、伝搬光を利用した広範囲測定を可能とする欠陥検査装置及び欠陥検査方法が提案されている(特許文献1参照)。 Therefore, conventionally, a defect inspection apparatus and a defect inspection method have been proposed in which an optical probe for detecting near-field light is incorporated into a normal optical microscope apparatus including an observation system using an objective lens, and a wide range measurement using propagation light is possible. (See Patent Document 1).
しかしながら、上記従来技術にあっては、対物レンズによる広範囲測定により特定した物性測定を望む微小領域に対して、近接場光検出用の光プローブを位置合わせした上で近接場光測定(高分解能測定)を実施するため、位置合わせが非常に困難であり、長時間を要し、利用性が悪いという問題があった。 However, in the above prior art, the near-field light measurement (high resolution measurement) is performed after aligning the optical probe for near-field light detection with respect to the minute region desired to measure the physical properties specified by the wide range measurement by the objective lens. ) Is very difficult to align, takes a long time, and has poor usability.
そこで、本発明は、1つの集光用光学素子により、伝搬光を利用した高S/N比で広範囲測定と近接場光を利用した高分解能測定の双方を実現するとともに、試料からの反射・散乱光を集光用光学素子を通すことなく検出し、試料表面の形状、光学特性及び光プローブ等の集光用光学素子の遮光性被覆膜の材質、膜厚等に関わらず、高S/N比で光検出を行う光検出装置及び光検出方法を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention realizes both a wide range measurement with a high S / N ratio using propagating light and a high resolution measurement using near-field light with a single condensing optical element, and reflection / reflection from the sample. Scattered light is detected without passing through a condensing optical element, and high S is obtained regardless of the shape, optical characteristics of the sample surface, and the material and film thickness of the light-shielding coating film of the condensing optical element such as an optical probe. An object of the present invention is to provide a photodetection device and a photodetection method for performing photodetection with an / N ratio.
請求項1記載の発明の光検出装置は、所定の波長の光を出射する光源と、前記光源からの光を試料表面に集光させる集光用光学素子と、第一焦点位置が当該試料表面上の前記集光用光学素子の集光位置と一致するように配置され、当該試料表面からの反射・散乱光を第二焦点位置に集光させる楕円面鏡と、当該楕円面鏡で前記第二焦点位置に集束される集束光を選択的に透過させる開口を有する光選択手段と、前記開口を透過する透過光を検出する光検出手段と、前記集光用光学素子と前記試料との間の距離を相対的に変化させる移動手段と、を備えていることにより、上記目的を達成している。 The light detection device according to claim 1 is a light source that emits light of a predetermined wavelength, a condensing optical element that condenses light from the light source on a sample surface, and a first focal position is the sample surface. An ellipsoidal mirror that is arranged to coincide with the condensing position of the concentrating optical element above and collects reflected / scattered light from the sample surface at a second focal position, and the ellipsoidal mirror Light selection means having an aperture that selectively transmits focused light focused at a bifocal position, light detection means for detecting transmitted light that passes through the aperture, and between the condensing optical element and the sample The above-mentioned object is achieved by providing moving means for relatively changing the distance.
この場合、例えば、請求項2に記載するように、前記光検出装置は、前記集光用光学素子が、伝播光と近接場光の双方を出射可能な光プローブであってもよい。
In this case, for example, as described in
また、例えば、請求項3に記載するように、前記光検出装置は、前記試料を前記集光用光学素子に対して当該試料表面と平行の走査方向に移動させる試料走査手段を、備えていてもよい。
For example, as described in
さらに、例えば、請求項4に記載するように、前記光検出装置は、前記集光用光学素子を前記試料に対して当該試料表面と平行の走査方向に移動させる素子走査手段と、当該素子走査手段による前記集光用光学素子の移動に応じて前記光選択手段を介して前記開口を走査方向に移動させる開口走査手段と、を備えていてもよい。
Further, for example, as described in
また、例えば、請求項5に記載するように、前記光検出装置は、前記光源の出射する所定の波長を適宜変更制御する波長制御手段を、備えていてもよい。 For example, as described in claim 5, the light detection device may include wavelength control means for appropriately changing and controlling a predetermined wavelength emitted by the light source.
請求項6記載の発明の光検出方法は、所定の波長の光を出射する光源からの光を、集光用光学素子で試料表面に集光させ、当該試料からの反射・散乱光を、その第一焦点位置が当該試料表面上の前記集光用光学素子の集光位置と一致するように配置されている楕円面鏡により当該楕円面鏡の第二焦点位置に集光させ、当該楕円面鏡の第二焦点位置と一致させて配置されている光選択手段の開口を、当該楕円面鏡からの集束光を選択的に透過させ、当該透過光を光検出手段で検出することにより、上記目的を達成している。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a light detection method in which light from a light source that emits light having a predetermined wavelength is condensed on a sample surface by a condensing optical element, and reflected / scattered light from the sample is The ellipsoidal surface is focused on the second focal position of the ellipsoidal mirror by an ellipsoidal mirror arranged so that the first focal position coincides with the condensing position of the condensing optical element on the sample surface. By selectively transmitting the focused light from the ellipsoidal mirror through the aperture of the light selection means arranged so as to coincide with the second focal position of the mirror, and detecting the transmitted light by the light detection means, The goal has been achieved.
この場合、例えば、請求項7に記載するように、前記光検出方法は、前記集光用光学素子が、伝播光と近接場光の双方を出射可能な光プローブであってもよい。 In this case, for example, as described in claim 7, in the light detection method, the condensing optical element may be an optical probe capable of emitting both propagating light and near-field light.
また、例えば、請求項8に記載するように、前記光検出方法は、前記試料を前記集光用光学素子に対して当該試料表面に平行な方向に移動走査させて、当該試料表面の各位置からの反射・散乱光を検出してもよい。 Further, for example, as described in claim 8, the light detection method includes moving and scanning the sample in a direction parallel to the sample surface with respect to the condensing optical element, so that each position on the sample surface is measured. You may detect the reflected and scattered light from.
さらに、例えば、請求項9に記載するように、前記光検出方法は、前記集光用光学素子を前記試料表面に対して平行な方向に移動走査させ、前記光選択手段を介して前記開口を、当該集光用光学素子の移動に応じて変動する前記楕円面鏡の第二焦点位置に移動走査させ、前記試料表面の各位置からの反射・散乱光を検出してもよい。 Further, for example, as described in claim 9, in the light detection method, the condensing optical element is moved and scanned in a direction parallel to the sample surface, and the opening is opened via the light selection unit. Alternatively, the reflected and scattered light from each position on the sample surface may be detected by moving and scanning to the second focal position of the ellipsoidal mirror that fluctuates according to the movement of the condensing optical element.
また、例えば、請求項10に記載するように、前記光検出方法は、前記光源の出射する所定の波長を適宜変更制御してもよい。
For example, as described in
本発明によれば、所定の波長の光を出射する光源からの光を、集光用光学素子で試料表面に集光させ、当該試料からの反射・散乱光を、その第一焦点位置が当該試料表面上の集光用光学素子の集光位置と一致するように配置されている楕円面鏡により当該楕円面鏡の第二焦点位置に集光させ、当該楕円面鏡の第二焦点位置と一致させて配置されている光選択手段の開口を、当該楕円面鏡からの集束光を選択的に透過させ、当該透過光を光検出手段で検出しているので、1つの集光用光学素子により、伝搬光を利用した高S/N比で広範囲測定と近接場光を利用した高分解能測定の双方を実現することができるとともに、試料からの反射・散乱光を集光用光学素子を通すことなく検出することができ、利用性を向上させることができるとともに、試料表面の形状、光学特性及び光プローブ等の集光用光学素子の遮光性被覆膜の材質、膜厚等に関わらず、高S/N比で光検出を行うことができる。 According to the present invention, light from a light source that emits light of a predetermined wavelength is condensed on the surface of the sample by the condensing optical element, and the reflected / scattered light from the sample is at the first focal position. The light is condensed at the second focal position of the ellipsoidal mirror by the ellipsoidal mirror arranged so as to coincide with the condensing position of the condensing optical element on the sample surface, The condensing light from the ellipsoidal mirror is selectively transmitted through the apertures of the light selecting means arranged to coincide with each other, and the transmitted light is detected by the light detecting means. As a result, it is possible to realize both a wide-range measurement with a high S / N ratio using propagating light and a high-resolution measurement using near-field light, and passing reflected / scattered light from a sample through a condensing optical element. And can improve the usability The shape of the sample surface, the material of the light-shielding coating film of the light converging optical element, such as optical properties and the optical probe, regardless of the film thickness and the like, it is possible to perform light detection in high S / N ratio.
以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施例は、本発明の好適な実施例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, since the Example described below is a suitable Example of this invention, various technically preferable restrictions are attached | subjected, However, The scope of the present invention limits this invention especially in the following description. As long as there is no description of the effect, it is not restricted to these aspects.
図1〜図5は、本発明の光検出装置及び光検出方法の一実施例を示す図であり、図1は、本発明の光検出装置及び光検出方法の一実施例を適用した光検出装置1の要部概略構成図である。 1 to 5 are diagrams showing an embodiment of a light detection apparatus and a light detection method of the present invention, and FIG. 1 is a light detection to which one embodiment of the light detection apparatus and the light detection method of the present invention is applied. 2 is a schematic configuration diagram of a main part of the device 1. FIG.
図1において、光検出装置1は、例えば、試料Sの微小領域における光学物性を測定する近接場光学顕微鏡等に適用され、光を射出する光源2、光源2から射出された光を集光して試料Sの被測定面(試料表面)Saに照射する光プローブ(集光用光学素子)10、被測定面Saから反射、散乱した光を集光する楕円面鏡3、集束光を選択的に透過させる開口4aの形成されている開口板(光選択手段)4及び透過光を検出する光検出器(光検出手段)5等を備えている。
In FIG. 1, a photodetection device 1 is applied to, for example, a near-field optical microscope that measures optical properties in a minute region of a sample S, and condenses light emitted from the
光源2は、図示しない電源装置から供給される駆動電源に基づいて光を発振し、また、光波長変換部(波長制御手段)6が、光源2から射出される光の波長を切り換える。すなわち、光波長変換部6は、試料Sの光学特性に応じた射出光波長制御の際に光源2の出射する光の波長を切り換える。
The
この光源2から射出された光は、図示しないコリメートレンズ、集光レンズを経て図示しない光ファイバに入射され、この光ファイバの先端面に、光プローブ10が形成されている。
The light emitted from the
光プローブ10は、図2に拡大して示すように、光導波部11と突出部12を備えており、突出部12は、遮光性被覆層13で覆われている。光導波部11は、コア14の周囲にクラッド15が設けられた光ファイバで構成されており、コア14及びクラッド15は、それぞれ二酸化シリコン系ガラスで形成されているが、クラッド15にゲルマニウム、リン等が添加されることで、クラッド15がコア14よりもその屈折率が低くなるように組織制御されている。
As shown in an enlarged view in FIG. 2, the
突出部12は、光導波部11の一端においてクラッド15から突出させた円錐形状のコア14で形成され、第1テーパ部(伝搬光射出部)16aと第2テーパ部(近接場光発生部)16bを有している。
The protruding
試料Sは、移動制御部(移動手段、試料走査手段)17上に載置され、移動制御部17は、例えば、3軸アクチュエータ等により構成されていて、被測定面Saを光プローブ10に対して近接・離間させる方向に試料Sを移動させ、あるいは、試料Sを被測定面Saに平行な走査方向に走査させる。
The sample S is placed on a movement control unit (movement unit, sample scanning unit) 17, and the movement control unit 17 is configured by, for example, a three-axis actuator and the like, and the measurement surface Sa is placed on the
光検出装置1は、光源2から出射された光P(以下、伝搬光P)が、コア14内を伝搬して、光プローブ10に達すると、第1テーパ部16aを介して光プローブ10外に射出される。この光プローブ10の第1テーパ部16aの表面は、円錐テーパ形状に形成されており、第1テーパ部16aの表面の法線Haと伝搬光の光軸Paとの成す角θ1(以下、傾斜角θ1)が伝搬光Pにおける全反射角未満であって、かつ、0度よりも大きい形状である。
When the light P emitted from the light source 2 (hereinafter referred to as propagating light P) propagates through the
したがって、光プローブ10に入射した伝搬光Pの大部分が、第1テーパ部16aから遮光性被覆層13を透過した後、屈折光として光プローブ10の外部に射出される。
Therefore, most of the propagating light P incident on the
光プローブ10から射出された光は、光プローブ10の先端から数百nm〜数um程度離れた位置で集光し、高い光強度を有する光スポットを形成する。
The light emitted from the
この光プローブ10から外部に出射された光が、光プローブ10の先端から離れた位置で集光し、高い光強度を有する光スポットを形成する現象は、傾斜角θ1が伝搬光Pにおける全反射角未満である際に固有の現象である。なお、従来のように傾斜角θ1が全反射角以上に形成された光プローブにおいては、光プローブ先端部近傍で最も高く、光プローブ先端から離れるに従って光強度が急速に低下し、光強度の低い光スポットしか形成することができない。
The phenomenon that the light emitted to the outside from the
この光プローブ10の傾斜角毎の光プローブ先端―集光スポット間距離の推移は、例えば、図3に示すようになる。図3は、第1テーパ部16aの屈折率1.53、射出媒質が空気である場合に、全反射角40°を境にそれを下回る入射角度において、光プローブ10の先端から数百nm〜数um程度離れた位置で集光していることを表している。
The transition of the distance between the optical probe tip and the focused spot for each tilt angle of the
そして、このスポット径は、第1テーパ部16aの根本の径D、傾斜角θ1及び伝搬光Pの波長によって制御することができる。したがって、必要な測定分解能と同程度のスポット径を取るように第1テーパ部16aの根本の径D、傾斜角θ1及び伝搬光Pの波長を決定する。
The spot diameter can be controlled by the diameter D of the
なお、第1テーパ部31aは、図2では、円錐形状となっているが、図4に示すように、曲面形状のテーパとなっている第1テーパ部16cであってもよい。 In addition, although the 1st taper part 31a becomes a cone shape in FIG. 2, as shown in FIG. 4, the 1st taper part 16c which becomes a taper of a curved surface shape may be sufficient.
上記光プローブ10の第2テーパ部16b(近接場光発生部)には、図2に示すように、コア14内を伝搬する伝搬光Pのうち、ファイバ光軸近傍の成分が、光プローブ10に達した後、入射し、第2テーパ部16bの表面は、円錐テーパ形状であって、その表面の法線Hbと伝搬光Pの光軸Paとの成す角θ2(以下、傾斜角θ2)が伝搬光Pにおける全反射角以上であって、かつ、90度未満となる形状である。
As shown in FIG. 2, the second
したがって、光プローブ10に入射した伝搬光Pの大部分が、遮光性被覆層13と光プローブコア14との界面で反射するが、この際、一部の光Pは、遮光性被覆層13の表面に滲出し、遮光性被覆層13に沿って光プローブ10の先端部に向けて伝搬して、先端部に局在する表面プラズモンとなる。この表面プラズモンにより、光プローブ10の先端部近傍において、近接場光スポットを形成することができる。
Therefore, most of the propagating light P incident on the
なお、遮光性被覆層13は、どのような材質であってもよいが、光プラズマによる近接場光の増強効果が得られること及び化学的安定性に優れていることから、Au薄膜であることが望ましい。
The light-shielding
上記楕円面鏡3は、光プローブ10の先端から数百nm〜数um程度離れた位置で集光する光スポットの位置に第一焦点が一致するように配置されており、開口4aは、楕円面鏡3の第二焦点位置に配置されている。すなわち、光プローブ10から射出される伝搬光Pによる集光点と開口4aを共役関係とする共焦点光学系を構成する。したがって、試料Sの被測定面Saの高さ方向にも高分解能を有する測定を行うことができる。
The
また、光プローブ10から射出される伝搬光Pの合焦位置に、試料Sの被測定面Saがあるときにのみ強い反射・散乱光を検出できることを利用し、合焦位置で被測定面Saに平行な方向にスライスした像(等高線像)を得ること(オプティカル・セクショニング)もできる。
In addition, by utilizing the fact that strong reflected / scattered light can be detected only when the measurement surface Sa of the sample S is at the focus position of the propagation light P emitted from the
そして、被測定面Saの高さ方向における一定の刻み毎にスライス像を取得し、計算機処理で重ね合わせることにより、被測定面Saの形状像を形成することができる。 Then, a slice image is obtained for each constant increment in the height direction of the surface to be measured Sa, and a shape image of the surface to be measured Sa can be formed by superimposing by computer processing.
光検出器5は、開口4a近傍に配置され、被測定面Saからの反射・散乱光のうち、開口4aを透過した成分のみを受光して光電変換し、輝度信号を生成する。
The photodetector 5 is disposed in the vicinity of the
光検出装置1は、光検出器5の生成する輝度信号を基に、画像を作成して、作成した画像を、図示しない表示部に表示し、ユーザは、この表示部に表示される画像に基づいて、試料Sの被測定面Saの詳細を測定、観察することができる。 The light detection device 1 creates an image based on the luminance signal generated by the light detector 5, displays the created image on a display unit (not shown), and the user displays the image displayed on the display unit. Based on this, the details of the measured surface Sa of the sample S can be measured and observed.
次に、本実施例の作用を説明する。まず、光検出装置1による伝搬光測定(広範囲測定)の測定動作について説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described. First, the measurement operation of propagation light measurement (wide range measurement) by the light detection device 1 will be described.
光検出装置1は、光源2から射出された光を、その先端に光プローブ10の形成されている図示しない光ファイバに入射して、光ファイバを通して光プローブ10へ入射し、光プローブ10に入射された光を、そのままコア14内を伝搬させて、光プローブ10から出射させる。光プローブ10から射出された光は、光プローブ10の先端から離れた位置で集光し、光スポットを形成する。
The light detection device 1 makes light emitted from the
ここで、移動制御部17により試料Sの被測定面Saを、光プローブ10に対して近接離間させる方向に移動させ、上記集光により形成された光スポットの位置に試料Sの被測定面Saの位置を一致させる。この際に用いられる光プローブ先端―集光スポット間距離の情報については、予め実験等にて取得しておく。
Here, the surface to be measured Sa of the sample S is moved in the direction of approaching and separating from the
次に、移動制御部17により、試料Sの被測定面Saを光プローブ10に対して水平方向に走査させ、その際に発生する光プローブ10から射出された光の被測定面Saからの反射・散乱光を、楕円面鏡3で反射して、開口板4の開口4a付近に集光させる。すなわち、楕円面鏡3は、その第一焦点位置が被測定面Sa上の光プローブ10の集光位置と一致するように配置され、被測定面Saからの反射・散乱光を第二焦点位置である開口板4の開口4a位置に集光させる。
Next, the measurement surface Sa of the sample S is scanned in the horizontal direction with respect to the
開口4aは、光プローブ射出光の集光点と共役関係となる共焦点配置されているので、光プローブ射出光における集光点からの反射散乱光のみを選択的に透過させる。開口4aを透過した透過光は、ピンホール後方に配置された光検出器5により受光され、光検出器5は、開口4aを透過した成分のみを光電変換して、輝度信号を生成する。
Since the
光検出装置1は、光検出器5の生成する輝度信号を基に、画像を作成して、作成した画像を、図示しない表示部に表示し、ユーザは、この表示部に表示される画像に基づいて、試料Sの被測定面Saの詳細を測定、観察することができる。 The light detection device 1 creates an image based on the luminance signal generated by the light detector 5, displays the created image on a display unit (not shown), and the user displays the image displayed on the display unit. Based on this, the details of the measured surface Sa of the sample S can be measured and observed.
そして、光検出装置1は、測定の際に、光波長変換部6により、試料Sの光透過率の分散特性に合わせて光波長を選択するが、このとき、光反射率が高い波長を選択することで、検出光量を増大させることができ、さらに、高S/N比で光検出を行うことができる。 In the measurement, the light detection device 1 selects the light wavelength in accordance with the dispersion characteristic of the light transmittance of the sample S by the light wavelength conversion unit 6 at the time of measurement. At this time, the light detection device 1 selects a wavelength having a high light reflectance. By doing so, the amount of detected light can be increased, and furthermore, light detection can be performed with a high S / N ratio.
また、光検出装置1は、光検出器5として、分光機能を有する光検出器を用い、光波長変換部6、光源2において広い波長帯域幅をもつ光を発振すると、試料Sの光反射率スペクトル情報を得ることができる。
In addition, when the photodetector 1 uses a photodetector having a spectroscopic function as the photodetector 5 and oscillates light having a wide wavelength bandwidth in the light wavelength converter 6 and the
さらに、光検出装置1は、楕円面鏡3により、光プローブ10への戻り光成分を用いることなく、試料Sの被測定面Saから発生する反射散乱光を高S/N比で検出することができる。
Further, the light detection device 1 detects the reflected scattered light generated from the measured surface Sa of the sample S with a high S / N ratio by using the
また、光検出装置1は、開口4aを併せて用いた共焦点光学系を構成することにより、高分解能な測定を行うことができる。
In addition, the photodetecting device 1 can perform high-resolution measurement by configuring a confocal optical system that also uses the
さらに、光検出装置1は、被測定面Saから発生する反射散乱光のうち、開口4aに到達する光が、楕円面鏡3で反射、集光された光のみであり、それ以外の光が、光プローブ10に遮られて、開口4aに到達しないため、開口4aに集光される光が、輪帯状光束となり、集光スポットが微小なものとなる。したがって、開口4aとして、スポットサイズに合わせた開口径を選択することで、より一層高分解能な測定を行うことができる。
Furthermore, in the light detection device 1, the light reaching the
なお、試料Sの被測定面Saを光プローブ10に対して水平方向に走査させる際、光プローブ10の被測定面Saに対する高さを一定にすると、測定中において近接離間方向への制御が不要となり、光プローブ先端―集光スポット間距離の長さ(数百nm〜数um程度)と相俟って、より一層高速に走査することができ、測定時間を大幅に短縮することができる。
When the surface to be measured Sa of the sample S is scanned with respect to the
次に、近接場光測定(高分解能測定)の測定過程について、説明する。光検出装置1は、光源2から射出された光を、その先端に光プローブ10の形成されている図示しない光ファイバに入射して、光ファイバを通って光プローブ10に入射する。光プローブ10に入射された光は、そのままコア14内を伝搬し、光プローブ10の遮光性被覆層13に入射する。このとき、遮光性被覆層13の射出端側にエバネッセント波としての近接場光が滲出する。
Next, the measurement process of near-field light measurement (high resolution measurement) will be described. The light detection device 1 enters light emitted from the
光検出装置1は、近接場光が滲出している状態で、移動制御部17により、試料Sの被測定面Saを光プローブ10に対して近接する方向に移動させる。このとき、光プローブ10の先端と被測定面Saとの距離が、光源2から射出される光の波長λの1/4以下となる場合において、光プローブ10から滲出した近接場光が被測定面Sa上に照射され、被測定面Sa上には近接場光による微小な光スポットが形成される。
In the state in which near-field light is exuded, the light detection device 1 causes the movement control unit 17 to move the measurement target surface Sa of the sample S in a direction in which the measurement surface Sa approaches the
光スポットを形成した近接場光のうち、被測定面Sa上で散乱光となる成分が、上記伝搬光の検出方法と同様に、楕円面鏡3により集光して、開口4aを介して光検出器5に導き、光検出器5で、開口4aを透過した成分のみを光電変換して、輝度信号を生成することで、試料Sの被測定面Saの高分解能測定を行うことができる。
Of the near-field light that forms the light spot, the component that becomes scattered light on the surface Sa to be measured is condensed by the
光検出装置1は、光検出器5の生成する輝度信号を基に、画像を作成して、作成した画像を、図示しない表示部に表示し、ユーザは、この表示部に表示される画像に基づいて、試料Sの被測定面Saの詳細を測定、観察することができる。 The light detection device 1 creates an image based on the luminance signal generated by the light detector 5, displays the created image on a display unit (not shown), and the user displays the image displayed on the display unit. Based on this, the details of the measured surface Sa of the sample S can be measured and observed.
なお、近接場光の検出方法としては、楕円面鏡3を使用せずに、光プローブ10への戻り光を検出する方法、すなわち、遮光性被覆層13を透過してコア14を経て図示しない光検出器に導く方法を用いてもよい。
As a method for detecting near-field light, a method for detecting return light to the
このように、本実施例の光検出装置1は、光源2からの光を、光プローブ10で試料表面Saに集光させ、当該試料Sからの反射・散乱光を、その第一焦点位置が試料表面Sa上の光プローブ10の集光位置と一致するように配置されている楕円面鏡3により楕円面鏡3の第二焦点位置に集光させ、楕円面鏡3の第二焦点位置と一致させて配置されている開口板4の開口4aを、楕円面鏡3からの集束光を選択的に透過させ、透過光を光検出器5で検出している。
As described above, the light detection apparatus 1 according to the present embodiment condenses the light from the
したがって、試料Sからの反射・散乱光を光プローブ10を通すことなく検出することができ、試料表面Saの形状、光学特性及び光プローブ10の遮光性被覆膜13の材質、膜厚等に関わらず、高S/N比で光検出を行うことができる。
Therefore, the reflected / scattered light from the sample S can be detected without passing through the
また、本実施例の光検出装置1は、集光用光学素子として、伝播光と近接場光の双方を出射可能な光プローブ10を用いている。
Further, the light detection apparatus 1 of the present embodiment uses an
したがって、通常の伝搬光を利用した広範囲測定(伝搬光測定)と近接場光測定を利用した高分解能測定の双方を、高S/N比で光検出を行うことができるとともに、近接場光(高分解能)測定における超高分解能測定を行うことができる。 Therefore, it is possible to perform light detection at a high S / N ratio for both wide-range measurement using normal propagation light (propagation light measurement) and high-resolution measurement using near-field light measurement, and near-field light ( High resolution measurement can be performed.
さらに、本実施例の光検出装置1は、移動制御部17により、試料Sを光プローブ10に対して試料表面Saと平行の走査方向に移動させている。
Furthermore, in the photodetector 1 of the present embodiment, the movement control unit 17 moves the sample S with respect to the
したがって、検出信号の安定性を向上させつつ、試料Sが軽量である場合には、高速測定を行うことができる。 Therefore, high-speed measurement can be performed when the sample S is lightweight while improving the stability of the detection signal.
また、本実施例の光検出装置1は、光波長変換部6により、光源2の出射する所定の波長を適宜変更制御している。
Further, in the light detection device 1 of this embodiment, the predetermined wavelength emitted from the
したがって、試料Sの光反射率の高い波長を選択したり、広帯域の光を発振することができ、検出信号の高S/N化及び試料Sの光反射スペクトルの取得を適切に行うことができる。 Therefore, it is possible to select a wavelength with a high light reflectance of the sample S or oscillate a broadband light, and to appropriately increase the S / N of the detection signal and acquire the light reflection spectrum of the sample S. .
なお、上記実施例においては、移動制御部17により、試料Sの被測定面Saを光プローブ10に対して近接離間する方向及び走査方向に移動させているが、試料Sの被測定面Saと光プローブ10との相対位置を移動させる方法としては、上記方法に限るものではなく、例えば、図5に示すように、光プローブ10に、プローブ制御部(素子走査手段)21を連結して、プローブ制御部21で、光プローブ10を試料Sの被測定面Saに平行な走査方向に走査させて、被測定面Sa上の光スポットの位置、すなわち、反射・散乱光の発生位置を変化させるようにしてもよい。なお、プローブ制御部21は、被測定面Saに平行な走査方向に光プローブ10を移動させるだけでなく、試料Sの被走査面Saに近接離間させる方向にも移動させてもよく、このようにすると、移動制御部17を用いる必要がない。
In the above embodiment, the movement control unit 17 moves the measured surface Sa of the sample S in the direction of approaching and separating from the
一方、開口4aの形成されている開口板4には、開口走査部(開口走査手段)22が連結されており、開口走査部22は、開口板4、すなわち、開口4aを走査方向に移動させる。
On the other hand, an aperture scanning unit (aperture scanning means) 22 is connected to the
すなわち、光プローブ10を被測定面Saに平行な方向に移動させると、光プローブ10から射出されて被測定面Saで散乱、反射された光が楕円面鏡3に入射して楕円面鏡3で反射、集光される位置(光スポットと共役関係の位置)も、ずれるため、このずれ量の分だけ開口4aを開口走査部22によって走査することにより、共焦点検出を可能にする。
That is, when the
このように試料Sを走査せずに、光プローブ10を走査させると、試料Sが質量の大きいものであっても、また、動作させることにより試料S自身が破壊されやすい場合にも、適切に測定することができる。
If the
そして、光検出装置1は、上述のように、試料Sの被測定面Saを、1つの光プローブ10に対して近接離間する方向に移動させることで、伝搬光Pによるスポットまたは近接場光によるスポットを選択的に切り換えて、被測定面Sa上に形成させることができ、1つの光プローブ10により、伝搬光Pを利用した高S/Nな広範囲測定と、近接場光を利用した高分解能測定の双方を実現することができる。
Then, as described above, the light detection apparatus 1 moves the measurement surface Sa of the sample S in the direction of approaching and separating from the one
以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 The invention made by the present inventor has been specifically described based on the preferred embodiments. However, the present invention is not limited to the above, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
ナノオーダの計測・加工に利用する走査型プローブ顕微鏡等に適用することができる。 It can be applied to a scanning probe microscope or the like used for nano-order measurement / processing.
1 光検出装置
2 光源
3 楕円面鏡
4a 開口
4 開口板
5 光検出器
6 光波長変換部
10 光プローブ
11 光導波部
12 突出部
13 遮光性被覆層
14 コア
15 クラッド
16a 第1テーパ部
16b 第2テーパ部
16c 第1テーパ部
17 移動制御部
21 プローブ制御部
22 開口走査部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (10)
The light detection method according to any one of claims 6 to 9, wherein the light detection method appropriately changes and controls a predetermined wavelength emitted from the light source.
Priority Applications (1)
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JP2005065549A JP2006250623A (en) | 2005-03-09 | 2005-03-09 | Photodetection device and photodetection method |
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Cited By (2)
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WO2012116168A3 (en) * | 2011-02-23 | 2013-01-31 | Rhk Technology, Inc. | Integrated microscope and related methods and devices |
JPWO2015121957A1 (en) * | 2014-02-14 | 2017-03-30 | 富士通株式会社 | Palpation support device, palpation support method, and palpation support program |
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2005
- 2005-03-09 JP JP2005065549A patent/JP2006250623A/en active Pending
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